Ядерная медицина - Ядерная физика в интернете

Ядерная физика
и Человек
Ядерная медицина
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
2
Диагностика
In vitro
 Радиоиммунный анализ
(РИА)
In vivo
 Радиометрия
 Сцинтиграфия
 Однофотонная
эмиссионная
компьютерная
томография (ОФЭКТ)
 Позитрон-эмиссионная
томография (ПЭТ)
 Компьютерная томография
(КТ)
 Магнитно-резонансная
томография (МРТ)
Лучевая терапия
 Рентгеновское излучение
высокой энергии
 Гамма-терапия
 Облучение быстрыми
электронами
 Облучение протонами
 Облучение нейтронами
 Контактная (радионуклидная)
терапия
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
3
Сколько у человека крови?
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
4
Сколько у человека крови?
В кровь человека ввели небольшое количество раствора, содержащего 24Na
активностью A0 = 300 Бк. Активность 1,0 см3 крови, взятой через 30 часов,
составила 0,015 Бк. Найти объем крови человека. T1/2(24Na) = 15 часов.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
5
Сколько у человека крови?
В кровь человека ввели небольшое количество раствора, содержащего 24Na
активностью A0 = 300 Бк. Активность 1,0 см3 крови, взятой через 30 часов,
составила 0,015 Бк. Найти объем крови человека. T1/2(24Na) = 15 часов.
ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Постоянная распада λ характеризует вероятность распада атомного ядра в
единицу времени.
Число частиц
Период полураспада
Активность
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
6
Сколько у человека крови?
В кровь человека ввели небольшое количество раствора, содержащего 24Na
активностью A0 = 300 Бк. Активность 1,0 см3 крови, взятой через 30 часов,
составила 0,015 Бк. Найти объем крови человека. T1/2(24Na) = 15 часов.
Удельная активность
V = 5 000 см3 – объем циркулирующей крови у человека
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
7
Радиоизотопная диагностика
 Радиометрия - регистрация кинетики (во времени и
пространстве) радиоактивных препаратов
 Сцинтиграфия - представление радиодиагностической
информации в виде цифровых величин, графического
изображения и картины пространственного распределения
препарата в органах и системах
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
8
Радиоизотопная диагностика
Основные принципы:
• оценка степени разведения радиоактивного препарата в жидких средах
организма (определение объёма циркулирующей крови, водного обмена,
обмена калия, натрия и др.)
• определение изменения (во времени) уровня радиоактивности в органах и
системах организма или очаге поражения (изучение гемодинамики,
определение йодного обмена, изучение динамики относительного уровня
фосфорного обмена в очаге поражения и др.)
• визуализация распределения введённого в организм радиоактивного
препарата (методы скaнирования и гаммасцинтиграфии органов и систем:
головного мозга, щитовидной железы, лёгких, печени, почек, костного мозга,
костей, лимфатической системы и др.)
• определение выведения радиоактивных препаратов из организма или их
перераспределения в его биологических средах
• взаимодействие «in vitro» меченых соединений с составными частями
биологических сред организма, в частности взаимодействие по типу «антигенантитело» (определение концентрации различных гормонов в крови и др.).
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
9
Исследование йодного обмена методом
радиометрии всего тела (0,7 МБк 131I)
Геометрия радиометрии больного
Результаты измерения радиоактивности всего
тела и радиоактивности щитовидной железы
у больных с микседемой (а), эутиреозом (б) и
тиреотоксикозом (в).
Косая штриховка — процент поглощения 131I в
щитовидной железе; вертикальная штриховка —
процент выведения 131I; без штриховки —
процент 131I в теле больного.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
«Медицинская радиология»,
Л.Д.Линденбратен, Ф.М.Лясс
10
Меченые атомы
Меченые атомы (изотопные индикаторы) –
изотопы, при добавлении в исследуемые
объекты способные выполнять роль индикаторов, выявляющих особенности поведения
атомов химических элементов, молекул и
других химических соединений в этих объектах.
Авторадиограмма (отпечаток), показывающая
распределение фосфора (32Р) в листьях помидора.
Светлые участки соответствуют повышенным
концентрациям радиоактивного изотопа; можно
видеть, что фосфор сконцентрировался у стебля и
в сосудистых частях листьев.
Нобелевская премия по химии
1943 г. – Д. де Хевеши. За работу по использованию изотопов в качестве
меченых атомов при изучении химических процессов.
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
11
Сцинтиграфия
Сцинтиграфия щитовидной железы –визуализация функционирующей ткани
щитовидной железы посредством моновалентных анионов (99mTcO4-, 123I, 131I),
предназначенный для выявления участков повышенного или сниженного
метаболизма тиреоидной ткани.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
12
Сцинтиграфия
Сцинтиграфия
скелета
(99mTcтехнифор). Гиперфиксация радионуклида в сочле-няющихся отделах
бедренной и больше-берцовой
костей, надколеннике и мягких
тканях левой подколенной области
(остеопороз)
Легкие (ТЭЛА). 99mTc, 81Kr
Почки. 99mTc, 123I
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
13
Радиоиммунный анализ (РИА)
Радиоиммунный анализ — метод количественного определения биологически
активных веществ, (гормонов, ферментов, лекарственных препаратов и др.) в биологических жидкостях, основанный на конкурентном связывании искомых стабильных
и аналогичных им меченных радионуклидом веществ со специфическими
связывающими системами (антителами). В связи с тем, что меченый антиген
добавляют в определенном количестве, можно определить часть вещества, которая
связалась с антителами, и часть, оставшуюся несвязанной в результате конкуренции
с выявляемым немеченым антигеном.
• Диагностика заболеваний сердечно-сосудистой, эндокринный и других
систем,
• Определение онкологических маркеров,
• Определение концентрации в крови иммуноглобулинов, ферментов и
лекарственных веществ.
В ряде случаев исследования выполняют на фоне нагрузочных функциональных
проб либо в динамике.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
14
Радиоаллергосорбентный тест (РАСТ)
 Приготовление смеси с
реагентами,
 Инкубирование смеси в
течение нескольких
часов,
 Отделение связанной
радиоактивной фракции,
 Радиометрия проб,
 Расчет результатов
(сравнение с
калибровкой).
Чувствительность РИА очень высока: вплоть до 10–15 моль/л (~10–11 г/мл).
Концентрации базальных концентраций пептидных гормонов обычно находятся в
пределах от 10–13 до 10–10 моль/л.
Нобелевская премия по физиологии или медицине
1977 г. – Р. С. Ялоу. За развитие радиоиммунологических методов
определения пептидных гормонов.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
15
Цифровая рентгенология
Дозовая нагрузка (снимок)
Пленочная флюорография – 0,5 мЗв
Цифровая флюорография – 0,02 мЗв
Естественный фон – 2,4 мЗв/год
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
16
Компьютерная томография (КТ)
В КТ для получения изображения используется рентгеновское излучение.
Первый рентгеновский компьютерный томограф был сконструирован в 1969
году английским инженером-физиком Г. Хаунсфилдом и носил название «ЭМИсканер» (EMI-scanner). В 1972 году прошли его клинические испытания
Нобелевская премия по физиологии или медицине
1979 г. – А. Кормак, Г. Хаунсфилд. За разработку компьютерной
томографии.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
17
Компьютерная томография (КТ)
Цикл сканирования одного слоя около 2,5 с.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
18
Однофотонная эмиссионная компьютерная
томография (ОФЭКТ)
В основе – гамма-излучение радиофармпрепарата
99mTc, 201Tl, 123I, 131I, 111In
и 67Ga
РФП для ОФЭКТ готовят преимущественно на ядерных реакторах, что
обеспечивает относительную дешевизну исследования.
Миокард. 99mTc, 82Rb, 201 Tl
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
19
1958 год. Х. Ангер (Беркли, Калифорния, США) : Гамма-камера – прибор для
создания двумерного изображения распределения гамма-источников в
исследуемом объекте.
Структура гамма-камеры позволяет использовать для реконструкции
изображения только гамма-кванты выделенного направления, что в свою
очередь позволяет определить положение источника излучения в пространстве
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
20
ОФЭКТ состоит из двух подвижных блоков. Первый блок – детектирующая
система, которая состоит из одной, двух, трех или более гамма-камер, которые
вращаются вокруг пациента для получения томографического изображения.
Второй блок – стол, перемещающийся в горизонтальной плоскости. Детекторы
могут менять взаимное расположение для удобства снятия информации
разных локализаций объекта.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
21
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)
Метод радиоизотопной диагностики, позволяющий получать информацию о
функционировании выбранного органа или всего тела путём регистрации
позитронов (e+), испущенных введенным РФП.
18F, 82Rb, 11C, 15O, 13N
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
22
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)
Для ПЭТ используются короткоживущие изотопы, получаемые на
циклотронах. ПЭТ центр включает в себя
• циклотрон для производства изотопов,
• радиохимическую лабораторию для приготовления
радиофармпрепаратов
• ПЭТ установки.
Циклотрон Siemens
(+) Низкая доза при исследовании. Краткий период полураспада изотопов
(-) Стоимость обеспечивающей инфраструктуры во много раз превосходит
стоимость аппаратуры. Огромная стоимость владения.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
23
Магнитно-резонансная томография (МРТ)
Ядра атомов при помещении их в магнитное поле способны поглощать энергию в
радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия РЧ
импульса. При этом напряженность постоянного магнитного поля и частота
радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу
(резонанс).
Наиболее интересными для медицины являются ядра водорода (1H), углерода
(13C), натрия (23Na) и фосфора (31P), так как все они присутствуют в теле
человека. Современные МР-томографы (МРТ) чаще всего «настроены» на ядра
водорода, то есть позволяют получить трехмерную карту распределения ядер
водорода в теле пациента.
МРТ является конкурентом компьютерной томографии. В отличие от КТ, МРТ
хорошо отображает мягкие ткани, тогда как КТ лучше визуализирует костные
структуры. Кроме того магнитно-резонансный метод незаменим при
обследовании головного и спинного мозга. Современные методики МРТ делают
возможным без хирургического вмешательства исследовать функцию органов —
измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, видеть активацию
коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает
данный участок коры.
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
24
Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР)
Нобелевская премия по физике
1952 г. – Ф. Блох, Э. Парсел. За развитие новых методов для точных
ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия.
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
25
Магнитно-резонансная томография (МРТ)
Нобелевская премия по физиологии или медицине
2003 г. – П. Лотербур, П. Мэнсфилд. За изобретение метода магнитнорезонансной томографии.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
26
Магнитно-резонансная томография (МРТ)
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
27
Магнитно-резонансная томография (МРТ)
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
28
Лучевая терапия
 Контактная
(радионуклидная)
терапия
 Рентгенотерапия
 Гамма-терапия
 Облучение быстрыми
электронами
 Протонно-ионная
терапия
 Облучение нейтронами
Радиохирургия -- рентгеновское высокой мощности собирается в узкий пучок и
используется для уничтожения патологических тканей
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
29
Контактная лучевая терапия
Контактная лучевая терапия - метод облучения, при котором источник
излучения находится на расстоянии менее 30 см от облучаемого объекта.
аппликационная ЛТ (источник помещаются непосредственно на
поверхности тела без нарушения целостности тканей);
 внутриполостное облучение (введение источника излучения в
естественные или искусственно образованные полости);
 внутритканевая ЛТ – брахитерапия (введение непосредственно в

опухоль или размещение на поверхностях опухоли иглы, гранулы, проволоки,
содержащие радиоактивные источники);
 Иммунология (изготовление антител для доставки изотопа в опухоль)
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
30
Рентгенотерапия
1915 г
Eγ ≤ 500 кэВ
L ≤ 1 см
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
31
Гамма – терапия (60Co)
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
32
Гамма – нож
60Со,
T1/2 = 5,2 года, A = 30 Ки
201 пучок,
D ≤ 4 см, Δd = 0,3 мм
В мире – ~300
В России – 2
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
33
Использование рентгеновских лучей высокой энергии
электроны
X
X
2000 пациентов в год
на 1 млн населения
В мире в онкологии используется около 20 000
линейных ускорителей электронов
50% от полного числа работающих
ускорителей
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
34
Использование пучков электронов (кибер-нож)
Ee = 4 - 6 МэВ,
Eγ ~ 6 МэВ,
D ≤ 5 см, Δd = 0,5 мм
В мире – ~250
В России – 9
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
35
Облучение электронами
В качестве источника электронов здесь применяют линейный ускоритель
электронов или бетатрон. Как правило, для медицинского назначения
используют ЛУЭ, которые работают в двух режимах: облучения фотонами или
электронами. В основном этот метод используется для повторной ЛТ.
Ee = 4 - 50 МэВ
L < 5 см
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
В мире – ~10 000
В России – 8536
Радиационная терапия модулированной
интенсивности (IMRT)
Ядерная физика и Человек. Ядерная
медицина
37
Адронная (протон-ионная) терапия
27 см
Локализация
200 MeV
протоны
5000 MeV
ионы углерода
опухоли
PSI
XPhotons
rays
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
протоны
Protons
ионы
углерода
38
Адронная терапия
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
39
Протонная терапия
В мире – ~300
В России – 3
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
40
ЦЕНТР
ИОННОЙ
ТЕРАПИИ
В УНИВЕРСИТЕТЕ
ГУНМА
(Маэбаси, Япония)
Отдельное здание, 3 этажа (1 подземный)
Строительная площадь –7000 м2
Потребление электричества –4500 кВт
Ускоритель–Синхротрон
Энергия ионов углерода –140 –400 МэВ/а.е.м
Количество рабочих мест на ускорителе-4 станции
(1 горизонт., 2 верт., 1 смеш)
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
41
Прогноз рынков диагностического и терапевтического оборудования,
а также РФП (млрд. долл.)
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
42
Радиофармпрепараты (РФП)
Радиофармпрепараты — это соединения радиоактивных изотопов с различными
неорганическими или органическими веществами, предназначенные для медикобиологических исследований, радиоизотопной диагностики и лечения различных
заболеваний, главным образом для лучевой терапии злокачественных опухолей.
Радиофармпрепарат может представлять собой радиоактивный элемент,
например, 133Хе, а также радиоактивное соединение, как, например, белок,
меченный иодом-131. В последнем случае радиофармпрепарат имеет две
составляющие – радионуклид и фармацевтический препарат («транспортное
средство» для радионуклида), определяющие его использование.
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
43
Изотоп
T1/2
Вид и энергия излучения
15O
122,24 с
β+
1731,9 кэВ
32P
14,262 сут.
β−
1710,66 кэВ
β−
317,88 кэВ
γ
1332,50 кэВ
Применение
исследование функции лёгких, центральной и
периферической гемодинамики и др.
для внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии
опухолей
при лечении рака слизистой оболочки рта и лёгкого,
опухолей головного мозга и др.
60Co
5,2714 лет
85Kr
10,756 лет
β−
687,4 кэВ
исследование функции лёгких, центральной и
периферической гемодинамики и др.
90Y
64,1 ч.
β−
2280,1 кэВ
для внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии
опухолей
99mTc
6,01 ч.
γ
140,511 кэВ
111In
2,8047 сут.
γ
131I
8,02070 сут.
133Xe
5,243 сут.
192Ir
73,827 сут.
198Au
2,69517 сут.
β−
171,28 кэВ
245,40 кэВ
606,3 кэВ
γ
364,489 кэВ
β−
γ
β−
346,0 кэВ
80,997 кэВ
672 кэВ
468,07 кэВ
308,46 кэВ
962 кэВ
γ
β−
γ
411,80 кэВ
диагностика опухолей головного мозга, изучение
гемодинамики и др.
исследование лёгких, печени, головного мозга и др.
исследования йодного обмена, лёгких, головного мозга,
функции почек, печени и др.; для лечения
иодпоглощающих метастазов злокачественных опухолей
щитовидной железы
исследование функции лёгких, центральной и
периферической гемодинамики и др.
при лечении рака в гинекологии, рака слизистой оболочки
рта и лёгкого, опухолей головного мозга и др.
исследование лёгких, печени, головного мозга и др.; для
внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии
опухолей
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
44
Использование
Ускорители
Реактор
Терапевтические
64Cu, 67Cu, 77Br, 88Br , 88Y,
m
89Zr, 103Pd, 111In, 124I, 186Re,
32P, 47Sc, 60Co, 64Cu, 67Cu,
211At
106Ru, 109Cd, 109Pd, 117Sn
89Sr, 90Sr, 90Y, 103Pd, 103Ru,
m,
115Cd, 125I, 131I, 137Cs, 145Sm,
153Sm, 165Dy, 166Dy, 166Ho,
169Er, 169Yb, 180Tm, 175Yb,
177Lu, 186Re, 188Re, 192Ir,
195
198Au, 199Au, 211At,
mPt,
213Bi, 225Ac, 241Am
Диагностические
11C, 13N, 15O, 18F, 55Fe, 57Co,
3H, 14C, 51Cr, 64Cu, 97Ru,
61Cu, 64Cu, 67Ga, 74As, 76Br,
99
81Kr , 82Rb , 94Tc , 97Ru,
m
m
m
111In, 123I, 124I, 179Ta, 201Tl
123I, 131I, 133Xe,
mTc,
153Gd, 195 Pt
m
Медицинские радиоизотопы в зависимости от метода получения и направления их использования (Troyer
& Schenter, 2009 J. Radioanal. Nucl. Chem., 282:243–246)
Ядерная физика и Человек. Ядерная медицина
45